大功率汞燈電源測控系統(tǒng)研究
1 汞燈電源測控系統(tǒng)
1．1 主要功能
根據(jù)光源組件的實際工作情況和曝光系統(tǒng)控制需要，汞燈電源測控系統(tǒng)在汞燈啟動(預熱)、穩(wěn)定工作、待機、停止狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，對其電壓、電流、功率、工作時間和燈室溫度(或汞燈陽極溫度)進行監(jiān)控、顯示及安全保護。同時該測控系統(tǒng)還具有故障診斷、系統(tǒng)重要參數(shù)設置、保存及定時曝光等功能。該測控系統(tǒng)通過程序控制可在其控制面板顯示、設置并自動保存電壓、電流、功率、汞燈總工作時間、燈室溫度、當前快門曝光時間(倒計數(shù))的運行值以及汞燈電源測控系統(tǒng)狀態(tài)的顯示切換。該控制器內(nèi)部固化的額定參數(shù)限制檢測可兼容兩種型號的汞燈。此外，基于光刻工藝自動控制的需要，該測控系統(tǒng)可通過RS485串行接口與上位嵌入式計算機交換狀態(tài)信號和各類參數(shù)信息，完成遠程控制的功能。
1．2 結(jié)構(gòu)組成與工作過程
汞燈電源測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其工作過程為：啟動由三相380 V交流電源供電的4 500 W恒流汞燈電源后，開始汞燈未工作，為開路狀態(tài)，汞燈電源的輔助次高壓電源對輸出電容充電，當電容電壓達到汞燈觸發(fā)模塊的啟動電壓后，觸發(fā)器輸出具有一定脈寬的高頻電壓(峰值大于20 kV)觸發(fā)汞燈，同時汞燈電源輸出低壓大電流，汞燈點亮進入啟動預熱狀態(tài)。汞燈電源的輔助次高壓電源在開機后延時一段時間將自動切斷，同時汞燈點亮后，其兩端電壓急劇下降到十多伏，這樣就避免了觸發(fā)器在汞燈導通后繼續(xù)工作輸出高壓而造成汞燈或電源的損壞。為避免汞燈從高壓觸發(fā)到低壓大電流點亮過程中的強電磁干擾對電壓電流檢測的影響而引起系統(tǒng)過流、過壓、過功率保護等誤動作以及閉環(huán)控制的不穩(wěn)定，控制器在汞燈點亮過程中輸出固定電平使汞燈電源工作于固定電壓控制的恒流工作狀態(tài)，通過磁平衡霍爾電流傳感器檢測到汞燈電流大于某值可認為汞燈點亮，若在一段時間后且電源電壓已能使汞燈觸發(fā)器工作，仍未檢測到汞燈點亮，即認為汞燈未接、開路、損壞或觸發(fā)器損壞，為保護整個系統(tǒng)，切斷電源(OFF)并指示錯誤狀態(tài)。汞燈確認點亮后，由控制系統(tǒng)閉環(huán)控制汞燈電流輸出為最大允許值，以使汞燈迅速加熱，汞燈電壓逐漸上升，這期間通過電壓和電流傳感器檢測汞燈電壓、電流，單片機計算得出汞燈功率，當電壓達到額定值的90％或功率達到給定值的95％時切換到恒電流或恒功率(由用戶設置，缺省為恒功率)狀態(tài)，當電流或功率達到給定狀態(tài)并穩(wěn)定在一定誤差范圍即認為汞燈穩(wěn)定并允許曝光(實際可能還要等待一段時間使光強穩(wěn)定)并給出相應信號，當光源暫時不需要使用時，為節(jié)省能源和延長汞燈使用壽命，允許汞燈電流和功率降低，即在待機模式下工作。由于汞燈啟動和正常工作(并保證正常的光效)等過程中均必須有合適的溫度環(huán)境，這也是燈室和汞燈、光源組件安全工作的需要，這項任務由單片機監(jiān)控系統(tǒng)采樣溫度信號并對風機進行控制來完成。
2 汞燈電源測控系統(tǒng)電路設計
2．1 電流／光強控制模擬隔離驅(qū)動
為保證汞燈電源的電流、功率或光強的長期穩(wěn)定性，需要對電源進行隔離控制。電源接收模擬控制電壓輸入以改變輸出電流，測控系統(tǒng)經(jīng)過專門設計的模擬量輸出通道執(zhí)行來自數(shù)字控制系統(tǒng)的D／A轉(zhuǎn)換器輸出(包括對電流、功率或光強的輸出)，同時為隔離數(shù)字控制系統(tǒng)弱電部分與汞燈開關電源強電系統(tǒng)，以避免地線環(huán)流和強電對弱電造成干擾或破壞，本系統(tǒng)采用高線性光耦HCNR200構(gòu)成模擬信號高電壓隔離放大器輸出控制信號，如圖2所示。
光電二極管信號經(jīng)模擬光耦HCNR200進行線性隔離，經(jīng)LF412進行電壓放大，最后經(jīng)共模濾波輸出控制電壓，電路設計如圖3所示。其中，HCNR200高線性模擬光耦包含一個高性能的LED，該LED光耦合到兩個密切配合的光電二極管。輸入光電二極管可用于監(jiān)測，并借此穩(wěn)定LED的光輸出。因此，LED的非線性和漂移特性幾乎可被完全消除，具有高線性和穩(wěn)定增益特性。LF412運算放大器具有雙JFET輸入特性、內(nèi)部消除漂移電壓、低輸入偏置電流、低電壓噪聲高電壓增益。運放采用TLA31C作為基準電壓源，該器件具有良好的熱穩(wěn)定性，輸出電壓可用兩個電阻進行方便設置。
2．2 模擬功率計算與負載線路補償
電壓、電流經(jīng)過信號調(diào)理，A／D轉(zhuǎn)換，MCU進行乘法運算得到汞燈電源輸出功率并與給定功率相比較進行數(shù)字控制，可實現(xiàn)恒功率控制，但這種單純數(shù)字控制的辦法由于有較長的計算時間，特別是所用MCU處理速度較慢且任務繁重的情況下，無法有效提高系統(tǒng)響應速度，影響了系統(tǒng)性能的進一步提高。實測表明，在恒電流工作模式下短期汞燈電源輸出電流穩(wěn)定度可達±O.05％，而在恒功率模式下僅有±O.5％，還差1個數(shù)量級。這盡管有電壓傳感器檢測精度比較低、汞燈放電性能限制造成的影響，但系統(tǒng)響應速度也是一個不可忽視的因素。從已完成的光強模擬閉環(huán)反饋恒光強控制系統(tǒng)的項目經(jīng)驗看，模擬PID控制能有效改善系統(tǒng)光強穩(wěn)定性，由此可以使用模擬功率PID反饋控制提高系統(tǒng)恒功率控制性能，采用模擬乘法器來實現(xiàn)相關電路。對于線路的功率損耗補償(汞燈工作在大電流狀態(tài)，線路上壓降很小而產(chǎn)生功率損耗相當大)，也可通過模擬乘法器來實現(xiàn)，進一步提高功率控制的準確性。則功率合成及負載線路補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。
根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)框圖可推導出：
對于同相放大器1：
取N=0，M=0，同相放大器變?yōu)殡妷焊S器，同時取Z2=0，
其中VOUT、IOUT分別為測得的汞燈電源輸出電壓、電流；PLAMP為汞燈實際工作功率。
對比VP和RLAMP可知，它們有相似的公式結(jié)構(gòu)，可用VP表示RLAMP。由于VV和VI從電壓電流信號調(diào)理電路輸出獲得電壓，對于電流，同前述假定100A轉(zhuǎn)換成2．5 V，即：
其中：KI=1／40。同樣對于電壓，同前述假定90 V轉(zhuǎn)換成3 V，即：
其中：KV=1／30。
假定對于汞燈功率PLAMP，1 000W轉(zhuǎn)換成1 V，即：
因VV和VI的最大有效值為5 V，根據(jù)乘法器使用說明取SF=5。并代入KI、KV和KP的值可得：
這說明1／KZ環(huán)節(jié)確實是比例衰減環(huán)節(jié)，可由VP的分壓器構(gòu)成，實際上各比例因子均可能有誤差，由KI、KV、KZ和SF求取KP進行計算是必要的：
可見衰減比KZ減小后(也即基于VP的反饋信號增強)，同樣VP值代表的功率變大了。
關于K的計算，由于實際上線路電阻RLOST非常小不易直接測量，需通過別的方式反映RLOST的大小，可實測電流為IOUT時線路的電壓降VLOST的值VLOST=VOUT-VLAMP，則有：
由于負載線路補償具有正反饋特性，所以寧可欠補償也不能過補償以免引起系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，也就是說衰減要比K大，但不能小。通過上述示例計算，設計出參數(shù)確定的基于硬件乘法器的功率合成及負載線路補償電路硬件，實際電路設計中由于電路中不可避免存在偏置電壓，需在適當位置處分別加上調(diào)零電路。
在得到功率合成信號VP以后，類似光強模擬PID控制，構(gòu)造獨立功率模擬PID控制電路實現(xiàn)具有模擬PID功率控制內(nèi)環(huán)的恒功率控制系統(tǒng)。相應的需對圖3控制電路作相應的改變，即改成電流／功率／光強(功率PID與光強PID為各自獨立的線路，給定可用同一信號)控制模擬隔離驅(qū)動電路。
3 結(jié)論
該汞燈電源測控系統(tǒng)目前已成功應用到西部之光計劃項目“用于平板顯示器制造的反射式大面積照明系統(tǒng)研制”上，經(jīng)過近一年運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善、運行穩(wěn)定、可靠、有效，恒電流控制穩(wěn)定性達±0．05％，恒功率控制穩(wěn)定性達±0．5％。該系統(tǒng)的突出特點是：采用模擬PID控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)了恒電流、恒光強、恒功率控制，能使汞燈安全、穩(wěn)定工作，發(fā)揮最佳光電性能；采用模擬閉環(huán)控制輸出的高壓隔離、模擬乘法器計算功率信號并進行負載線路功率損耗補償?shù)膶崟r功率計算的方法、并使用模擬控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式有效提高了功率控制的穩(wěn)定性。
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